集合論(五) 有序對、冪集、卡氏積
重覆:有序對公理
已知a、b為集合,存在一個集合僅以a、b為元素。為此把這個集合記為{a, b},稱為a與b的無序對。
介紹新的集合論公理:冪集公理Sx
( xA→ xS
)。
假設A為集合,則由A的所有子集,可以組成一個新的集合,稱為A的冪集,記為P(A)。因此有以下的刻劃:xP(A)xA。
例子:
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由於空集僅有一個子集,所以P(),其實P()={}。
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類似地,A={1},則A只有兩個子集、A={1}。所以P(
{1} )={, {1}
}共有二個元素。
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類似地,A={ 1, 2 },則A只有兩個子集、{1}、{2}、A={1,
2}。所以P( {1, 2} )={,
{1}, {2} , {1, 2} }共有四個元素。
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一般地,P({ x1, x2, ...., xn})有2個元素,換句話說n(個不同的)元集合的不同子集總數為2n。
證一:可以把{ x1, x2, ...., xn})的子集看成一個表有n個空格□□□.....□,每個空格可以填入“x”或“v”兩個可能,如果在第k個空格填入“v”,代表這個子集包含了第k個元素;否則第k個元素不會在這個子集中出現。
不同的子集一一對應於不同的表格。由於每個空格有兩種方法填入,而且兩個格互相不影響,所以有2
x 2 x ... x 2 (共n個) =2n。
證二:僅有集合A中之k 個元素的集合總共有nCk,其中0
≦k ≦n。疊加起來,便有Σ1≦k≦n nCk=(1+1)n=2n。
重溫:有序對的定義
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已知a、b為分別集合A、B的任一個元素,
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由無序對公理,{a, a}、{a, b}為集合,
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再由無序對公理,{ {a, a}, {a, b} }也是個集合,稱為a、b的有序對,並記(a,
b)。
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此外有序對的一個重要性質是
(a, b) =(x, y)當且慬當(a=x)及(b=y)。
註: 其實要有這個性質,可以改用其他的方法來定義有序對(a, b)。
問題:假設a、b分別走遍集合A、B中之各個元素,那麼不同的有序對(a, b)到底組成一個怎樣的集合。
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已知aA、bB,所以a、bA∪B;
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由子集的記號,有{a, b}、 {a, a}A∪B;
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由冪集的記號,有{a, a}、{a, b}P(A∪B);
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由子集的記號,有(a, b)={{a, a}、{a, b}}P(A∪B);
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由冪集的記號,有(a, b)={{a, a}、{a, b}}P(P(A∪B))。
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因此當a、b分別走遍集合A、B中之各個元素,有序對(a, b)只是一個固定集合P(P(A∪B))中的元素。
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最後可以運用內涵公理,在集合P(P(A∪B))中定義一個僅包含這些有序對的子集。
定義:A×B={ (a, b)P(P(A∪B))
| aAbB},稱為A與B的卡氏積(笛卡兒積)。
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由卡氏積的定義,得知(a, b)A×B(aA)(bB)。
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證明:A×B=當且僅當(A=)(B=)。
證:現在證明:A×B≠當且僅當(A≠)(B≠)。
A×B≠
x
(xA×B) ,此時x=(a,
b)其中(aA)(bB)。
ab(
(a, b)A×B) )
ab(
(aA)(bB)
)
a(aA)b(
bB)
(A≠)(B≠)。
由等價否定等值式,有以下結果,A×B=當且僅當(A=)(B=)。
註:
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卡氏積是個非常有用的數學公具,從它出發,可以定義很多有用的數學概念,如函數、n維向量線性空間、二元運算等....。
堂課:(家課五的解答,學生自行講解,略去。)